單片機技術(shù)在電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：本文以Atmega48單片機為控制核心，利用單片機內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，通過對電池的充放電的電流、電壓取樣瞬時判斷當(dāng)前電池或負(fù)載的工作特性，將實時數(shù)據(jù)或故障現(xiàn)象通過LCD顯示，同時通過CAN總線模塊CSM100傳至上位機。

關(guān)鍵詞：電源管理 故障保護 單片機

機器人已經(jīng)走入我們的生活，成為我們工作生活的重要一部分，他們時時刻刻為人類服務(wù)著。如：擦玻璃機器人、清掃機器人、排爆機器人，廣泛應(yīng)用于井下救援、管道安檢等等，基本上涵蓋了生活的各個領(lǐng)域，為我們提供了極大的便利。

本系統(tǒng)基于巡更機器人而設(shè)計。巡更機器人是集視頻信號、超聲波傳感器為一體的檢測裝置，通過現(xiàn)場總線集總于上位機，它能夠?qū)崟r地把視頻數(shù)據(jù)、位置和自身的工作狀態(tài)傳輸至工控機，同時實現(xiàn)現(xiàn)場、遠程控制，滿足了夜巡的需要，可以把周圍的路況信息通過攝像頭的采集、經(jīng)單片機處理反饋給顯示器供用戶參考，并通過無線通信傳至遠程的上位機，最終實現(xiàn)遠距離控制，而取代了人工巡邏。本設(shè)計主要是給移動機器人提供電源管理功能，讓機器人更高精度、高效率地工作，同時還應(yīng)用于許多直流工控領(lǐng)域。

一、系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的題目要求，本系統(tǒng)分為人機交互模塊部分、單片機控制模塊部分、信號采樣處理部分、故障保護、充放電切換、零壓保護、報警模塊、電源模塊、CAN通信模塊。系統(tǒng)的控制過程如下：合上總開關(guān)，單片機初始化；初始化完成后（確認(rèn)沒有故障時），繼電器K接通主電路得電；正常運行時、液晶顯示當(dāng)前電流、電壓；自行檢測到故障（欠壓、過載、溫度）時，切斷繼電器K使電動機停止運行；同時這些電源工作狀態(tài)時時通過CAN總線反饋給上位機，以便做出故障處理；在電池充滿電后，自動切斷充電器；在充電時，保證主電路斷開。

1.人機交互模塊選擇

人機交互模塊部分需要提供輸入操作及信息的現(xiàn)實，使系統(tǒng)能夠更加直觀地為操作者提供相關(guān)設(shè)置及參數(shù)信息。在此模塊部分的設(shè)計中應(yīng)主要考慮到顯示模塊的設(shè)計。采用點陣式LCD，可以將用戶輸入的信息通過相應(yīng)的圖形或進度條及時顯示出來，使用戶自定義輸入變得非常方便。而且，配合Flash ROM中的128×64點陣漢字庫，可以實現(xiàn)漢字顯示，使界面顯得非常親切。

液晶顯示模塊以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、模塊化、接口電路簡單等諸多優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計能直觀顯示用戶輸入的信息，能夠為用戶提供菜單管理界面。

2.單片機控制模塊選擇

單片機模塊部分是控制的核心，通過對電路中電流電壓量的采樣進行運算處理判斷是否過流或欠壓，根據(jù)結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的故障保護動作。同時通過液晶顯示數(shù)據(jù)和當(dāng)前設(shè)備工作狀態(tài)。另一個重要功能就是和上位機完成CAN總線通信協(xié)議，接受或傳達上位機的指令。

AVR 單片機是 Atmel 公司 1997 年推出的 RISC 單片機。RISC（精簡指令系統(tǒng)計算機）是相對于CISC（復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機）而言的。RISC 并非只是簡單地減少指令，而是通過使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單合理而提高運算速度的。RISC 優(yōu)先選取使用頻率最高的簡單指令，避免復(fù)雜指令，并固定指令寬度，減少指令格式和尋址方式的種類，從而縮短指令周期，提高運行速度。由于 AVR 采用了 RISC 的這種結(jié)構(gòu)，使AVR系列單片機都具備1MIPS/MHz（百萬條指令每秒/兆赫茲）的高速處理能力。因此本設(shè)計選用 Atmega48單片機作為系統(tǒng)的控制器。

3.系統(tǒng)電路設(shè)計

系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計，包括主控電路、單片機控制電路、電源模組、驅(qū)動控制電路、液晶顯示電路、故障保護電路，現(xiàn)場總線通信電路、信號采樣處理電路、報警裝置電路以及部分電路模塊的工作原理和各個模塊之間的控制關(guān)系。

二、主電路的設(shè)計

在本電源管理系統(tǒng)中，主電路是通過較大功率的電流回路，最終輸出供整機負(fù)載使用，負(fù)載包括行走電動機（伺服電動機），上位機、直流電動機、步進電動機和攝像頭、各種傳感器供電，所以電流較大。通過各個大容量繼電器的控制通斷來實現(xiàn)電路的各種啟停、保護、模式轉(zhuǎn)換等功能。

1.驅(qū)動電路

在本設(shè)計中有4組繼電器，這些繼電器線圈電壓為直流24V驅(qū)動信號由單片機或其他方式接入。為了保證驅(qū)動信號不受干擾，筆者采用光電隔離器TLP521完全可滿足要求。其原理以光為媒介傳輸電信號的一種電—光—電轉(zhuǎn)換器件，由發(fā)光源和受光器兩部分組成，把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。光電耦合器的種類較多，常見有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達林頓型、集成電路型等。

（1）啟動、停止控制電路如圖1所示。啟動信號取自電池兩端通過分壓得到，通過光耦、三極管放大驅(qū)動繼電器線圈，具有自鎖和零壓保護功能。

（2）放電動作模式控制電路如圖2所示。控制信號是從鑰匙轉(zhuǎn)換開關(guān)和單片機I/O口輸出，經(jīng)過光電隔離電路之后，經(jīng)三極管放大驅(qū)動繼電器動作，圖中二極管并聯(lián)在線圈兩端，起續(xù)流保護作用。

圖1 啟動、停止控制電路

圖2 放電動作控制電路

2.信號處理及報警電路

（1）信號處理電路。該電路包括電流采樣信號和電壓采樣信號處理電路。電壓取樣信號由滑變R30給出至由R9、R10、C4 LM324的U4組成的濾波電壓給隨電路使采樣的信號傳至單片機的A/D口，做A/D的運算處理（如圖3所示）。

圖3 電壓采集

電流采樣信號經(jīng)過R14、R15、C6 LM324的U4B組成的濾波電壓給隨電路后，經(jīng)兩級放大后（第一級為1.5倍，第二級為18倍）放大后給單片機A/D口進行運行電流檢測處理（如圖4所示）。電壓跟隨器，顧名思義，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近1。電壓跟隨器的顯著特點就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通常可以到幾歐姆，甚至更低。

圖4 電流采集放大

（2）故障報警電路（如圖5所示）。

圖5 報警指示

故障報警：當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)問題后不要繼續(xù)運行，否則容易燒壞，所以當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)如下故障時會自動切斷電源，同時發(fā)出故障報警，給出警示信號。當(dāng)故障出現(xiàn)時，單片機運算處理判斷故障原因后，將故障代碼傳至上位機并通過LCD顯示故障狀態(tài)。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件控制在本設(shè)計中至關(guān)重要，通過對電流、電壓值的采集運算處理，并作出判斷后執(zhí)行相應(yīng)的保護動作。同時把采集來的數(shù)據(jù)和自檢的狀態(tài)通過LCD顯示，并發(fā)送至上位機，完成上位機與CAN總線的通信。軟件的實現(xiàn)更能使本系統(tǒng)更加智能、安全、高效、友好。

主程序邏輯原理如下：合上總開關(guān)，單片機初始化；初始化完成后（確認(rèn)沒有故障時），使繼電器K接通主電路得電；正常運行時LCD顯示當(dāng)前電流、電壓值；自行檢測到故障（欠壓、過載、溫度）時，切斷繼電器K使電動機停止運行；同時這些電源工作狀態(tài)時時通過CAN總線反饋給上位機，以便做出故障處理；電池充滿電后自動切斷充電器，在充電時，保證主電路斷開。

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（作者單位：杭州市蕭山區(qū)技工學(xué)校）